Ich sitze unter dem grünen Dach von alten Kastanienbäumen, wo die Hitze vergangener Sommertage im Stimmengemurmel vieler hundert Gäste ausklingt. Auf dem Tisch steht ein Glas Bier, gut gekühlt und außen leicht beschlagen. Als dann auch noch eine reife Kastanie vom Baum hinein plumpst, ist mein Glück vollkommen.

Eine Verherrlichung des Konsums von Alltagsdrogen? Das kann man so sehen, muss man aber nicht. Bier ist über die Jahrhunderte eines der – bakteriologisch gesehen – sichersten Lebensmittel der Welt, gebraut nach dem Reinheitsgebot von 1516, dem ältesten Lebensmittelgesetz Deutschlands: nur Malz, Hefe und Hopfen darf zu seiner Herstellung verwendet werden (siehe Abbildung). Ganz ohne Chemie? Weit gefehlt! Beim näheren Hinsehen erschließt sich eine spannende Chemie.

Auf den ersten Blick ist die Chemie des Bierbrauens ein einfacher Vorgang: Die Stärke der Gerste wird zuerst zu Zucker umgewandelt, und der Zucker wird anschließend zu Alkohol und Kohlendioxid vergoren. Der Prozess verläuft grob in drei Schritten: dem Mälzen von Gerste (oder anderem Getreide) zu Malz, dem Maischen des Malzes zur Stammwürze und schließlich dem Vergären der Stammwürze mit Hilfe von Bierhefe.

Mälzen: Aus Gerste wird Malz

Aus chemischer und biologischer Sicht ist die Malzherstellung der komplizierteste Schritt beim Bierbrauen. Hier entfaltet nämlich jedes einzelne Getreidekorn seine eigentliche Bestimmung als Samen: Es keimt und strebt danach, eine neue Pflanze zu werden. In jeder einzelnen Zelle setzt eine faszinierende Kaskade von chemischen Prozessen ein, und eine Vielfalt von Stoffen entsteht, ein wahre chemische Fabrik! Für das Bierbrauen konzentrieren wir uns hier auf die Bildung von Enzymen.

Enzyme sind die Katalysatoren der Biochemie. Sie steuern in allen Lebewesen, auch im Menschen, fast jede Umwandlung von Stoffen, also chemische Reaktionen. In unserem Fall haben wir es besonders auf diejenigen Enzyme abgesehen, die die Umwandlung von Stärke in Zucker steuern. Sie heißen zum Beispiel "ß-Glucanase" oder "α-Amylase."

In der Praxis werden die Gerstenkörner mit Wasser befeuchtet, sie quellen, und schon beginnt die Keimung. Die Kunst besteht nun darin, den Vorgang so zu steuern, dass Malz mit der richtigen Zusammensetzung (vor allem an Enzymen) entsteht, aber das Wachsen einer neuen Pflanze verhindert wird. Das bedarf einer sehr sorgfältigen Einstellung der Temperatur während des gesamten Vorgangs, der normalerweise sechs Tage dauert. Danach muss die Keimung durch vorsichtiges Erwärmen gestoppt und das entstandene Grünmalz getrocknet – gedarrt – werden.

Maischen: Aus Stärke wird Zucker

Im nächsten Schritt, dem Maischen, wird das Grünmalz ein geschrotet und in viel heißes Wasser geschüttet.  Das geschah früher in großen Kupferkesseln (Sudpfannen), deren schöne Deckel heute gerne von vielen Brauereien stolz als Antiquitäten präsentiert werden.

Beim Maischen müssen nun die festen Anteile der Malzkörner durch das heiße Wasser aufgelöst werden. Jetzt kommen die beim Mälzen gebildeten Enzyme ins Spiel.

Zur Veranschaulichung der Zuckerbildung stellen wir uns zunächst eine Kette von Menschen vor, die sich fest an ihren Händen halten. Um mit einem einzelnen dieser Menschen zum Beispiel tanzen gehen zu können, muss ich erst zwei Händepaare lösen. Auch in der Stärke sind viele Zuckermoleküle durch chemische Bindungen zu einer Kette verbunden. Erst durch Aufbrechen dieser chemischen Bindungen werden die Zucker gebildet, die später bei der Gärung der Hefe zur Verfügung stehen. Im Fall der Stärke ist genau das die Aufgabe der beim Mälzen gebildeten Enzyme:

Einen wichtigen Bestandteil von Bier dürfen wir aber nicht vergessen: den Hopfen! Nach Trennung der festen Bestandteile  von der Maische erhalten die Brauer die Würze, vereinfacht eine Lösung von verschiedenen Zuckern[1]. Der wichtigste davon heißt in diesem Fall Maltose. Die Würze wird aufgekocht, und der Hopfen wird zugesetzt. Die spannende Chemie der Inhaltsstoffe von Hopfen wäre einen weiteren Aufsatz wert! Der Einfachheit halber schreibe ich hier aber nur von Hopfen als einer Aromakomponente des Bieres, allerdings einer wesentlichen.

 


[1] Chemiker kennen viele verschiedene Zucker, z.B. Glucose oder Fructose. Daher steht hier Zucker im Plural. Im Haushalt sprechen wir dagegen von dem Zucker und meinen damit Saccharose, ein Disaccharid aus den zwei Zuckern Fructose und Glucose.

Gären: Aus Zucker wird Alkohol

Bei der alkoholischen Gärung wird Zucker durch Einwirkung von Hefe zu Alkohol (genauer dem Alkohol Ethanol) und Kohlendioxid abgebaut. Der gleiche Vorgang läuft auch beim Backen von Brot ab. Das dabei gebildete Kohlendioxid (ein Gas) sorgt für Schaum auf dem Bier oder die Blasen im Brot:

Hefe ist ein Pilz. Der Vorgang der alkoholischen Gärung ist – unter den richtigen Bedingungen – ein ganz normaler Stoffwechselschritt der Hefe. Auch dieser Vorgang wird in der Hefezelle – wie könnte es anders sein – von Enzymen gesteuert, aber das ist eine andere spannende Chemie-Geschichte. Die meisten Bierbrauer verwenden für die Gärung ganz bestimmte Hefestämme.

Bei untergärigem Bier, z.B. Pils, sinkt die Hefe nach Abklingen der Gärung auf den Boden des Gärbottichs. Bei obergärigem Bier, z.B. Ale, schwimmt die Hefe nach der Gärung auf der Oberfläche. Während der Gärung muss die Temperatur sorgfältig auf ca. 10 °C geregelt werden, je nach Biertyp. Die Gärung ist nach 8-12 Tagen zu Ende.

Vom Gärtank in den Kühlschrank

Auch wenn nun die Gärung abgeschlossen ist, steht das Bier noch lange nicht im Kühlschrank. Nun folgen kalte Lagerung, Filtration und Abfüllung.

Die kalte Lagerung, auch Reifung genannt, hat einen wesentlichen Einfluss auf den endgültigen Geschmack des Bieres. Dazu wird das Bier in großen Tanks auf 0 bis -2 °C gekühlt und lagert dort mehrere Wochen. Auch bei der nachfolgenden Filtration ist die Temperatur so niedrig wie möglich (0 bis -2 °C). Schließlich soll das Bier klar bleiben, auch wenn es später in einem sehr kalten Kühlschrank lagert. Nach der Filtration wird das Bier in Fässer, Flaschen oder Dosen abgefüllt. Besonders die Abfüllanlagen für Flaschenbier beeindrucken durch ihre Größe: Die größten können 120.000 Flaschen pro Stunde füllen!

Natürlich fehlen in diesem kurzen Text viele Hinweise auf Einzelheiten. Auch Themen wie Craft Bier, Microbrauereien und Spezialitäten wie Weizen, Ale, Stout, Lambic oder Kriek werden nicht erwähnt, geschweige denn alkoholfreies Bier [2], [4] und Biermischgetränke; sie können aber in der zitierten Literatur nachgesehen werden.

Der Biermarkt ist riesig. In 2017 wurden weltweit 1,95 Millionen Hektoliter Bier gebraut (und getrunken) [5]! Würde man diese Menge Bier in 0,5-L-Flaschen abfüllen und legte diese aneinander (Flaschenhals auf Flaschenboden), so ergäbe das eine Strecke von ca. 100.000 km, also zweieinhalbmal um den Erdball am Äquator! In Deutschland wurden in 2014 pro Kopf (Personen über 15 Jahre)  117 Liter pro Jahr getrunken. Mit 138 Liter pro Jahr sind die Tschechen in dieser Hinsicht Europameister [6].

Nach getaner Arbeit kann ich mich jetzt ganz entspannt zurücklehnen und mein kühles Bier im Biergarten mit halb geschlossenen Augen genießen. Doch halt: Vorher muss ich erst noch die Kastanie aus dem Glaskrug fischen, die mir der Baum vorhin hineingeworfen hat!

Literatur:

[1] Wikipedia-Artikel: Bierbrauen, Maischen, Maltose, Hopfen, Würzepfanne, Stammwürze, Alkoholische Gärung, Untergärige Hefe, Obergärige Hefe,KölschAltbier, Ale, WeizenbierLambic, Geuze, Stout, Porter, Berliner Weiße, Craft Beer, Mikrobrauerei, Haus- und Hobbybrauen.

[2] Hans-Michael Esslinger, Ludwig Narziß: "Beer" in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley Online Library, 2009, DOI: 10.1002/14356007.a03_421.pub2, https://t1p.de/7n1c.

[3] Compound Interest: The chemistry of beer, https://t1p.de/qmyl.

[4] YouTube/ZDF besseresser; Sebastian Lege: "Richtig reingelegt: Bierfreunde schmecken Alkoholfreies nicht mehr raus." 27.02.2020. https://www.youtube.com/watch?v=OPdXfBWHVcc

Quellen: 

[5] Der Barth-Bericht - Hopfen 2017-2018 (www.barthaasgroup.com)

[6] Our World in Data (https://ourworldindata.org): Beer consumption per person, 2014, https://t1p.de/eri9.

Wohin auch immer wir uns im Alltag wenden: überall gibt es spannende Wissenschaft und Technik zu entdecken. Das gilt auch für die Chemie. Mit einer Serie von Cartoons "Chemie ist, wenn…" machen wir auf alltägliche chemische Vorgänge aufmerksam. Zu jeder Zeichnung gibt es einen kurzen, allgemein verständlichen Text, der die jeweilige Chemie im Alltag erklärt und einige Links für weitere Informationen. Im Mittelpunkt der Zeichnungen steht unser freundliches Erlenmeyerchen. Die Cartoons werden von der Gruppe "Chemie ist..." entwickelt, einer Arbeitsgemeinschaft der Fachgruppe "Chemie und Gesellschaft". Die Zeichnungen stammen von Maike Hettinger.

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